Acta Mater.：借助STEM的位相襯度識別平衡態Ni-YSZ界面原子結構

【引言】

固態氧化物燃料電池在高效能源存儲和電力供應的前景廣闊。在眾多固態氧化物燃料電池體系中，Ni和釔穩定氧化物（YSZ）之間的界面是關鍵部分，此處Ni作為陽極材料。因此，界面穩定性至關重要。在電池工作期間，Ni-YSZ界面暴露在高溫下引起Ni顆粒的粗化，總的界面能減少，驅動界面總面積的減少，從而導致電池工作效率的劣化。提高電極中界面穩定性和持久性是固態氧化物燃料電池領域的一個關鍵挑戰。

【成果簡介】

近日，以色列理工學院的Wayne D. Kaplan教授（通訊作者）在Acta Materialia上發表了題為“Discerning Interface Atomistic Structure by Phase Contrast in STEM:The Equilibrated Ni-YSZ Interface”的文章。Ni和釔穩定氧化鋯（YSZ）的平衡界面是1350℃，氧偏壓為10-20atm條件下，Ni薄膜在YSZ單晶的(111)表面通過固態潤濕形成的。平衡固-固界面的原子結構借助單色消像差矯正的掃描透射電子顯微鏡（STEM）使用不同技術來確定。結果顯示由于Ni和YSZ重構界面之間發生了大的晶格錯配，形成了一種包含高密度失配位錯的特殊結構。然而，盡管有大的晶格錯配，界面也不是非共格的。界面由陽離子終止，這可能是由于低氧偏壓下達到平衡導致的。

【圖文導讀】

圖1：通過固態潤濕方法制備，平衡態Ni顆粒在YSZ基底上的二次電子HRSEM圖像。

顆粒的(111)面與YSZ基底表面的(111)面平行。點劃線矩形為FIB選擇的區域，用于TEM分析。

圖2：同時獲得的平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域STEM圖像。

(a)高角度環形暗場STEM圖像；

(b)環形明場STEM圖像。

圖3：界面區域的iDPC-STEM表征。

(a)平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域的iDPC-STEM圖像，界面處Ni原子和Zr原子之間的電荷轉移明顯可見;

(b)將(a)圖使用高通濾波器進行過濾后的圖像，原子柱位置可在界面兩側都看到；

(c)白色方框劃定的沿界面交替排布的重復單元定義為A和B，一個剩余連續平面（B單元）在一列結構單元之間分離。

圖4：界面區域的EDS分布圖。

(A)界面的環形暗場STEM圖像；

(B-F)同一區域的EDS能譜分布圖。

【小結】

本工作借助IDPC STEM和EDS能譜分布圖確定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子結構。實驗圖像顯示界面采用一種含有高密度失配位錯的特殊結構，這是由于兩相具有特殊的取向關系，產生大的晶格失配導致的。然而，盡管具有較大的晶格失配，界面仍不是非共格的。觀察到的位錯序列定義了界面的重構結構，通過吸收錯配應變能使得界面能最小化。

文獻鏈接：Discerning Interface Atomistic Structure by Phase Contrast in STEM: The Equilibrated Ni-YSZ Interface（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.05.011）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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